Witaj!
LogowanieRejestracja

Odpowiedz 
 
Ocena wątku:
  • 1 Głosów - 5 Średnio
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
CO2 i O2 w wodzie - duże, ale nudno
26.05.2011, 12:24 (Ten post był ostatnio modyfikowany: 28.12.2012 20:42 przez Rafal.)
Post: #1
CO2 i O2 w wodzie - duże, ale nudno
Wszyscy wiemy, że tlen (O2) jest niezbędny do oddychania a powstający wtedy dwutlenek węgla (CO2) potrzebny jest roślinom do wzrostu. Zastanówmy się jak to jest z tymi gazami w wodzie. Sorki, że może nie wszystko ładnie poukładane, ale...

Rozpuszczalność gazów
Ogólnie gazy mogą się rozpuszczać w cieczach na dwojako:
- z reakcją chemiczną,
- w sposób fizyczny.

Co do "chemii rozpuszczania" to gaz będzie się rozpuszczał w cieczy tak długo aż w tej cieczy będzie substancja zdolna do reakcji z tym gazem. Przykładowo gdy będzie woda o wysokim pH (zawierająca dużo jonów wodorotlenowych) to rozpuszczanie CO2 w wodzie (prowadzące do powstawania kwasu węglowego - H2CO3) będzie tak długo, aż powstający w wyniku rozpuszczania kwas zneutralizuje zasadę. Taką zasadą mogą być węglany, np. sodu (Na2CO3). Wtedy reakcja zasady z CO2 będzie przebiegać następująco: Na2CO3 + CO2 + H2O –> 2 NaHCO3. CO2 będzie więc tu wiązane w sposób chemiczny tak długo jak w wodzie znajduje się nieprzereagowany substrat (tu np. węglany). A węglany odpowiadają za tzw. węglanową twardość wody (KH).
Reakcja tworzenia H2CO3 z CO2 i wody jest również procesem chemicznym. Powyższe reakcje przebiegające w wodzie zmieniają stężenia obecnych tam substancji, np. jonów wodorotlenowych odpowiadających za pH wody. Jest to wykorzystywane do wyznaczania ilości CO2 w wodzie akwariowej na podstawie testów pH i KH (ale o tym w innym wątku i poście).

Po wyczerpaniu składnika z którym reaguje wprowadzany gaz zachodzi już rozpuszczanie "fizyczne". W przypadku CO2 część zawsze ulegnie reakcji z wodą a część będzie rozpuszczona w sposób fizyczny bez zwiększania ilości kwasu węglowego.
W wodzie nie zachodzi rozpuszczanie tlenu w sposób chemiczny.
UWAGA! Rozpuszczanie "fizyczne" silnie zależy od zawartości innych substancji zawartych w cieczy. Stąd rozpuszczalność tlenu, CO2 i innych gazów jest przykładowo większa w wodzie słodkiej niż w wodzie słonej.

Parametry fizyczne (wynikające głównie z budowy substancji) są dość trudne do wyznaczenia i stąd rozpuszczalność jest trudno wyznaczyć metodą obliczeniową. Parametry fizyczne zawarte są w parametrze, który wyznacza się eksperymentalnie – jest to tzw. stała Henry’ego. Stała ta dla danej pary gaz-ciecz jest wartością stałą w zadanej temperaturze i rośnie wraz z obniżaniem temperatury (a więc i rozpuszczalność gazów rośnie z obniżeniem temperatury).
Zależność rozpuszczalności od ciśnienia wyznacza się wtedy prostym wzorem: x=Hp, gdzie x – stężenie rozpuszczonego gazu w cieczy, H – stała Henry’ego, p – ciśnienie gazu.
Sumarycznie więc wraz ze wzrostem ciśnienia i spadkiem temperatury rozpuszczalność gazów rośnie.
Podczas rozpuszczania gazów prawie nigdy nie mamy do czynienia z czystymi gazami tylko z mieszaninami różnych gazów (przykładem jest choćby powietrze). W tych przypadkach we wzorze stosuje się nie ciśnienie całkowite, tylko ciśnienie zależne od tego gazu, który rozpatrujemy. Takie ciśnienie nosi nazwę ciśnieniem cząstkowym. Oznacza ono ciśnienie jakie wywierałby ta część gazu, która jest w mieszaninie bez wkładu pozostałych gazów. Stężenie CO2 w powietrzu jest w granicach 0,2%. Stąd gdy ciśnienie atmosferyczne jest równe 1 atmosferze, stężenie cząstkowe CO2 wyniesie 0,002 atmosfery.
We wszystkich rozważaniach mówimy zwykle o maksymalnym stężeniu rozpuszczonego gazu w cieczy. Określa się ono tzw. stanem równowagi.

Stan równowagi
Większość procesów fizycznych i chemicznych dąży do stanu równowagi. Oznacza on stan w którym nie obserwuje się zmiany wartości parametrów. Przykładowo po sturlaniu się kamienia z górki osiąga on stan równowagi, w której prędkość nie zmienia się. Inny przykład: rozpuszczając sól w wodzie obserwujemy, że po wsypaniu pewnej ilości sól już się nie rozpuści. Osiąga się stan równowagi zwany stanem nasycenia roztworu.
Dojście do stanu równowagi może być bardzo szybkie, rzędu sekund lub ich ułamków (np. wybuch), jak i bardzo powolne, rzędu stuleci (erozja naturalna). Jest to niezbędne do zrozumienia procesów zachodzących w akwarium.
Niezależnie od ogólnej szybkości dojścia do stanu równowagi zawsze szybciej przebiega proces oddalony w sposób znaczny od stanu równowagi niż ten sam w pobliżu stanu równowagi (łatwiej rozpuścić pierwszą łyżeczkę cukru w herbacie niż 5-tą).

Zwykle nie udaje się przekroczyć stanu równowagi, przykładowo nie da się rozpuścić więcej soli niż wynika z jej rozpuszczalności. Możliwe jest jednak przekroczenie stanu równowagi poprzez zmianę innych parametrów, przykładowo temperatury, ciśnienia. Oziębianie nasyconego roztworu soli powoduje wytrącanie się kryształków soli. Podobnie, podczas odparowywania wody stężenie soli w wodzie zwiększa się i zachodzi podobne wytrącanie. Podobnie jak poprzednio proces nie zawsze jest natychmiastowy. Czasem udaje się osiągnąć stan przesycenia na dość długo - późniejsze dojście do stanu równowagi jest albo powolne albo dosyć gwałtowne. Otwórzmy szampan lub piwo, bardzo powoli – gaz psyknie i tyle. Reszta gazu będzie się ulatniać powoli. Wstrząśnijmy butelkę, otwórzmy i ….. sami wiecie.

Tlen w akwarium
Tlen jest wprowadzany do wody w akwarium poprzez:
- rozpuszczanie powietrza w wodzie za pośrednictwem powierzchni styku woda-powietrza. Tu szybkość rozpuszczania zależy od powierzchni styku pomiędzy wodą a powietrzem. Najbardziej skuteczny sposób wprowadzania tlenu z powietrza tą metodą zachodzi na „lustrze wody”. Na powierzchni wody następuje łapanie cząsteczek tlenu przez wodę. Warstwa powietrza zubaża się w tlen a cieniutka warstewka wody wzbogaca. Stąd oddalenie od stanu równowagi zmniejsza się i szybkość rozpuszczania również. Szybkość transportu rozpuszczonego gazu do wnętrza wody jest minimalna i tą metodą nie da się uzyskać dobrego natlenienia wody. Tu zacytuję wprost tekst z artykułu [1]: „Nadmienić można, że cząsteczka tlenu przenika do wody na drodze dyfuzji bardzo wolno np. aby osiągnąć głębokość 250 m trwać to musi ponad 40 lat…”. Dlatego wszelki ruch gazu nad wodą i samej wody powodujące wymieszanie się wody i powietrza sprzyja przyspieszeniu rozpuszczania się gazu. Podobnie w życiu: wsypmy łyżeczkę soli do szklanki wody i obserwujmy, kiedy się rozpuści – zaręczam, że zejdą godziny, dni albo i tygodnie. Gdy zamieszamy, rozpuści się bardzo szybko.
Bez "mieszania" powierzchni wody szybkość natleniania jest zwykle zbyt wolna, aby przeżyły zwierzęta (zwłaszcza w nocy).

Bąbelki powietrza podawane przez kostkę dają tu minimalny skutek patrząc tylko z punktu widzenia pęcherzyków powietrza". Napowietrzanie powoduje ruch wody i wymianę powietrza nad wodą a to skutkuje napowietrzaniem a nie same bąbelki. W związku z tym w zasadzie nie ma znaczenia jaka jest wielkość bąbelków (kostki drobne, czy grube). Ten sam efekt uzyskuje się poprzez ruszanie powierzchnią wody dowolną metodą: ustawienie wylotu filtra tuż pod powierzchnią wody, bądź zastosowanie deszczowni.

- produkcja przez roślinki. Najskuteczniejszy sposób wprowadzania tlenu do wody. Na początku tlen rozpuszcza się w wodzie w 100%, później coraz mniej, aż praktycznie cały wydostaje się z powierzchni roślin w postaci pęcherzyków tlenu. Zwykle zachodzi to w godzinach popołudniowych. Zastanówmy się dlaczego. Otóż część tlenu wytworzonego w dzień jest konsumowana w nocy. Nad ranem stężenie tlenu w wodzie dalekie jest od równowagowego i rośliny muszą dłużej popracować aby osiągnąć stan przesycenia tlenu.
Przykłady można znaleźć w wspomnianym artykule [1]. Polecam obejrzenie tabelki 2 z podanego artykułu. Widać, że osiągane stężenia tlenu sięgają od 0% (woda świeżo destylowana) do 300% w wodzie w której rośliny „bąbelkująâ€. To samo akwarium (z roślinami) po nocy ma już tylko 15% tlenu. Sami widzicie, że zmiany stężenia tlenu w wodzie są duże. Bez sztucznych czynników zmiany związane wyłącznie z rozpuszczalnością są bardzo powolne (wzrost jedynie od 0 do 20% dla wody destylowanej odstanej przez tydzień).

CO2 w akwarium
CO2 wprowadzany jest do wody w akwarium przez:
- większość organizmów żywych (rośliny, ryby, bezkręgowce, bakterie tlenowe).
- sztucznie.

Stężenie równowagowe CO2 w wodzie stykającej się z powietrzem obliczona wg prawa Henry'ego to 4 ppm. Jest to stężenie naturalna i jako takie jest ono minimalną wartością potrzebną roślinom do rośnięcia. W akwariach roślinnych (czasem też w zwierzęcych) osiąga się sztucznie stężenia po kilkadziesiąt ppm-ów.

Dlaczego jednak można przekroczyć stężenie równowagowe? Czy nie działa tu już prawo Henry'ego? Oczywiście działa, ale nasycanie wody dokonuje się za pomocą CO2 stężonego. Przy 100% CO2 stan równowagi odpowiada ponad 1800 ppm-ów CO2 w wodzie. Na powierzchni bąbelek CO2-woda zachodzi więc rozpuszczanie CO2. Jest ono bardzo intensywne bo oddalenie od stanu równowagi jest bardzo duże. Wynika to z różnicy stężeń 0,2% w powietrzu i 100% z butli. Stąd wszelkie sposoby na wydłużenie czasu kontaktu bąbelka z wodą , bądź zmniejszenie rozmiarów bąbelków, skutkują pełnym rozpuszczeniem się bąbelka CO2 w wodzie.
Powinno temu zjawisku towarzyszyć naturalne usuwanie CO2 do powietrza. I tak jest w rzeczywistości, ale usuwanie w „sposób naturalny” zachodzi w sposób powolny (zobaczcie poprzedni fragment o dyfuzji gazów w wodzie).

Jest jeszcze jedno oblicze stanu równowagi CO2 z wodą. Otóż CO2 jest cięższe od powietrza i wydzielając się z wody tworzy coś w sensie „poduszki” nad taflą wody. Wtedy stan równowagi jest inny, gdyż woda nie styka się z czystym powietrzem, tylko z powietrzem wzbogaconym w CO2. Równowagowe stężenie CO2 w wodzie może być wtedy znacznie wyższe. Czasem z tego powodu zdychają też ryby oddychające powietrzem atmosferycznym (np. „labirynty”).
Zapobiega się temu przez ruch powietrza nad zbiornikiem (np. przeciągi, wentylatorek chłodzący świetlówki) oraz ruch wody towarzyszący filtracji i napowietrzaniu). Jak ktoś lubi eksperymenty proponuję kupić wodę mineralną gazowaną i przelać do szklanki (do pełna) i zostawić na noc. Drugą część wody pozostawić w butelce ale otwartej. Po nocy spróbować. W szklance nie czujemy już kwasu, w butelce owszem, bo tam nad wodą była poduszeczka z prawie 100% CO2 i nie wydzielił się on z wody w całości.

Sam tlen nie powoduje usunięcia CO2 z wody, jak to niektórzy myślą: „Tlen lub powietrze wytrąca CO2 z wody bo ta ma ograniczoną pojemność na rozpuszczanie się gazów”. Te słowa padły m.in. od Rataja, bardzo utytułowanego znawcy roślin i innych (ale nie chemików). W praktyce jednak, to nie tlen usuwa CO2 z wody, tylko jest on usuwany samoistnie wskutek ruchu wody i styku z czystym powietrzem. Oba gazy są niezależne w sensie rozpuszczalności. Jeden nie zależy od drugiego. Rozpuszczalność gazów zależy bowiem tylko od ich ciśnień cząstkowych nad cieczą (inaczej: od ich stężeń). Patrząc na poprzednie dane można stwierdzić, że za pomocą powietrza nie można usunąć CO2 poniżej 4 ppm-ów. To wymagałoby tłoczenia innego czystego gazu (czy to azot, tlen, czy chlor to już obojętnie).
Jak działa tak działa, ale działa więc intensywne napowietrzanie skutkuje zmniejszeniem ilości CO2 co pomaga nam w leczeniu przyduchy u rybek.

Dwutlenek węgla tworzy z wodą kwas węglowy, który powoduje spadek pH wody. Można to wykorzystać do komputerowego sterowania podawanego CO2. Kwas węglowy reaguje z niektórymi substancjami nieorganicznymi (np. z wapieniami) powodując ich rozpuszczenie – zwiększenie twardości wody. Część kwasu węglowego jest stabilizowana za pomocą buforów, którymi są węglany metali – następuje wtedy wspomniana reakcja z wytworzeniem wodorowęglanów. Stąd do twardej wody można wprowadzić dużo większą ilość CO2 niż do wody czystej a pH wody i tak znacząco nie spadnie. Spadnie dopiero po zużyciu bufora, ale doprowadza to do tak dużego stężenia CO2 w wodzie, że większość organizmów nie jest w stanie przeżyć.

Bezpieczne ilości rozpuszczonych gazów w akwarium
O2
Jak zwykle trudno uogólniać. Są ryby lubiące dużo tlenu (pstrągi), jaki i te żyjące w mule. Przyjmuje się, że dla większości gatunków przeciętne stężenie tlenu w wodzie powinno wynosić 7-8 ppm-ów. Przy mniejszej ilości tlenu ryby wykazują objawy niepokoju. Nie jest to groźne póki przyducha nie trwa zbyt długo.
Nadmiar tlenu jest również groźny. Niektóre ryby nie wytrzymują intensywnego bąbelkowania roślin i zdychają przez tzw. chorobę gazową (wydzielanie się pęcherzyków gazu w skrzelach). Choroba ta występuje jednak częściej po wpuszczeniu ryb do nieodstanej wody wodociągowej.

CO2
Jak wiadomo, im więcej CO2 w wodzie tym szybciej rosną rośliny a więc rośliniarze starają się maksymalnie zwiększyć jego stężenie w wodzie. Jakie jest w miarę bezpieczne? Są ryby, które wytrzymują 100 (podobno neonki) i więcej ppm-ów CO2 w wodzie. Niektóre zdychają już przy 20. Stąd przyjęto, że dla większości ryb bezpieczne stężenie CO2 wynosi do 30 ppm-ów.
I jeszcze jedno ciekawe spostrzeżenie: rośliny „od zawsze” mają do dyspozycji tyle CO2 ile ile daje im natura (a więc 4 ppm). Tak więc te, które są trwale zanurzone nie potrzebują więcej. Ważne jest tylko aby to CO2 było dla roślin dostępne. W okresowo zalewanych rzekach zapewnia to bardzo szybki nurt wody. Okazuje się, że jak nie były jeszcze używane systemy CO2 w akwarystyce roślinnej to wielu akwarystów miało duże sukcesy w hodowli trudnych roślin stosując bardzo silny przepływ napowietrzonej wody przez akwaria roślinne. W ten sposób mimo nikłej zawartości CO2 we wodzie rośliny zawsze miały go pod dostatkiem.
Niektóre rośliny wypracowały też metody pozyskiwania węgla z rozpuszczonych węglanów. Stąd sztuczne wzbogacanie wody w CO2 nie zawsze jest konieczne. W akwariach często trzyma się jednak rośliny, które są pod wodą tylko okresowo. I to właśnie dla nich modyfikujemy naturalne warunki rozwoju w warunki sztuczne z dużą ilością CO2.

Toksyczność CO2. Wymiana gazowa w skrzelach (podobnie jak u nas w płucach) opiera się na wykorzystaniu łączenia się hemoglobiny z O2, bądź z CO2. Tam, gdzie jest nadmiar O2 to nawet przy jego mniejszym stężeniu organizm daje sobie radę (dla nas w wysokich górach, gdzie jest niższe ciśnienie). Gdy jednak wzrośnie stężenie CO2 to nawet poprawne stężenie O2 doprowadza do zatrucia CO2. Już dawno stwierdzono, że umiera się od CO2 (zatrucie) a nie przez to, że brakuje nam tlenu. Nadmiar CO2 blokuje wymianę CO2-O2 w płucach.

Oznaczanie zawartości CO2 w wodzie
Ponieważ CO2 tworzy z wodą słaby kwas węglowy możliwe jest oznaczanie CO2 za pomocą pH specjalnego roztworu. Robi się to w specjalnych szklanych pojemniczkach w których jest wskaźnik pH. Poprzez kontakt gazu znad akwarium, który rozpuszcza się w roztworze testu wskaźnik pH informuje nas o poziome nasycenia tej wody w CO2. Są to tzw. testy ciągłe. Zawartość CO2 można też wyznaczyć na podstawie pH wody w akwarium i twardości tej wody. Uproszczony wzór na zawartość CO2 w ppm brzmi: 3 x kH x 10^(7-pH).

Inna sprawa. Czy testy są nam potrzebne? Zwykle nie. Zwierzątka są najlepszymi testerami w dzień. Ich podpływanie do powierzchni, ogólna nerwowość wskazuje na przesadzenie z CO2. W nocy zalecam wyłączanie CO2 i zwiększanie napowietrzania wody więc i ten problem nie powinien mieć miejsca.

Dobowe zmiany pH w wodzie
Większe stężenie CO2 to niższe pH wody. Jeżeli pH rośnie to oznacza, że w wodzie jest coraz mniejsza ilość CO2. Może mieć to miejsce gdy rośliny zbyt szybko go konsumują. Podwyższenie pH może też nastąpić w nocy, gdy następuje intensywne usuwanie CO2 z wody poprzez skuteczny system powodujący wymianę gazową pomiędzy wodą a powietrzem (falowanie wody, napowietrzanie itp.). Wtedy zamykanie dopływu CO2 na noc (przy małej obsadzie zwierzęcej) może powodować dość duże skoki pH pomiędzy dniem a nocą. Przy większej obsadzie zwierzęcej (produkującej CO2) i braku intensywnego usuwania CO2 może następować sytuacja odwrotna: w nocy pH będzie bardziej spadać w porównaniu do dnia. Wynika to z tego, że rośliny nie konsumują CO2 i rozpuszczając się w większej ilości w nocy powoduje zwiększenie zakwaszenia wody. Tak więc nie można z góry stwierdzić, czy dozowanie CO2 w nocy jest lepsze dla stabilności pH wody, czy nie. Zależy to od wspomnianych wcześniej czynników.

Porady praktyczne
Wydaje się, że w akwariach roślinnych trudno jest się obejść bez sztucznego dodatku CO2.
Jego stężenie nie jest aż tak ważne w układach z szybko płynącą wodą. Gdy jednak przepływ wody nie może być duży zalecane jest:
1. Zamiast niepraktycznego napowietrzacza (bzyczenie itd.) lub równie głośnej deszczowni lepiej ustawić wylot filtra wody tuż pod powierzchnią. Jeżeli ryb jest zbyt dużo to deszczownia może być jednak nieoceniona.
2. Wentylatory w pokrywach (bądź „przeciągi” w odkrytych akwariach) powodują szybsze usuwanie CO2 z wody. W akwariach roślinnych można więc w dzień zmniejszać ruch wody (przykręcać odpływ filtra, wyłączać napowietrzanie) a w nocy odwrotnie. W akwariach zwierzęcych filtr i jakaś forma napowietrzania powinna działać cały czas w niezmiennej formie.
3. Wprowadzanie CO2 w nocy jest niepotrzebne ponieważ rośliny nie potrafią go wtedy zużytkować, ale gdy niemożliwe jest jego zablokowanie (np. bimbrownia) na noc powinno się uruchamiać urządzenia intensywnie falujące powierzchnią wody aby CO2 został przynajmniej częściowo usunięty. Czasem pozwala to również na stabilizację pH w ciągu doby.

Gratuluję - medal z ziemniaka tym co dotrwali do końca a medal z pomidora tym co zrozumieli...

Literatura:
1.Kujawa S., Tlen w wodzie, Akwarium, nr 113 (5/89). Autoryzowana kopia znajduje się na portalu akwamania.

Podkarpackie Forum Akwarystyczne: http://podforak.rzeszow.pl
Znajdź wszystkie posty użytkownika Chcę podziękować
Odpowiedz cytując ten post
Reklama (jeśli nie chcesz jej oglądać, zarejestruj się na forum!)

Odpowiedz 


Skocz do:



Użytkownicy przeglądający ten wątek: 1 gości

Polskie tłumaczenie © 2007-2020 Polski Support MyBB
Silnik forum MyBB, © 2002-2020 MyBB Group.
Elementy graficzne wykonane przez Polski Support MyBB.
Kodowanie i obsługa techniczna: TIserwis.pl.